一、热膨胀系数

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫热膨胀, 通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。热膨胀系数为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度，而引入的物理量。热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值，这就是线膨胀系数。对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。

二、热膨胀系数的测试原理

物体温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大。温度降低，物体冷却时分子的平均动能变小，使分子间距离缩短，于是物体的体积就要缩小。热膨胀系数是指物质在热胀冷缩效应作用之下，几何特性随着温度的变化而发生变化的规律性系数。线胀系数是指固态物质当温度改变1摄氏度度时，其长度的变化和它在某温度下时的长度的比值。

计算公式：α=ΔL/(L*ΔT)

三、线性膨胀系数

线胀系数是指固态物质当温度改变摄氏度1度时，其某一方向上的长度的变化和它在20℃（即标准实验室环境）时的长度的比值。大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度变化与长度变化成正比，温度升高体积扩大。但是也有例外，如水在0到4摄氏度之间，会出现负膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。线膨胀系数分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数，后者称为平均线膨胀系数。前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量；平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量。

四、线性膨胀系数的测试方法

1、测试仪器

(Ⅰ) 测试样品：适合所有的材料测试。

(Ⅱ) 尺寸：30×7×1毫米，或者1厘米的正方形。

TMA

2、测试图谱分析

（Ⅰ）环氧树脂胶ZUIDA EP2121

图中，76.32μm/(m•℃)表示1m长度的样品，在0~200℃的温度区间，每升高1℃，平均会有76.32μm的尺寸膨 胀。

（Ⅱ）丙烯酸酯胶ZUIDA AC3394

图中，105.59μm/(m•℃)表示1m长度的样品，在-100~140℃的温度区间，每升高1℃，平均会有105.59μm的尺寸膨胀。

五、热膨胀系数与翘曲的关系

1、翘曲机理

由于不同封装材料的热膨胀系数不同，在温度发生变化后，导致各种材料的收缩率不一致，同时这些材料的弯曲模量也不同，当温度发生变化后，CTE 大的材料其收缩率也大，如果其模量也大于其他材料，那么其他材料一定会被迫拉伸变形，当拉伸力达到超过不同种材料间的粘合力时，不同材料间的粘合处就会出现分层和剥离，如CTE 差异大的模塑料和基板经过高低温循环后，会出现翘曲甚至导致模塑料与基板分层。当拉伸力超过某种材料模量的极限强度时，就会造成该材料裂损，如翘曲导致的模塑料的拉伸力大于封装基材的弯曲强度，导致封装基材破坏。

2、翘曲类型

由于元器件各材料的CTE 不同，温度变化不同，各材料收缩/膨胀量的不匹配使元器件出现不同类型的翘曲：正向翘曲（笑脸型）与反向翘曲（哭脸型）。正向翘曲是由于模塑料和基材的CTE 大，从注塑高温降低后，模塑料和基材收缩/膨胀大于基板的收缩/膨胀，就产生应力差，当这个应力差大于基板抗形变的力度时，基板因受力被迫变形。反向翘曲产生的原因则与之相反。

六、热膨胀系数的降低方法

1、分子结构设计

选用不同的双官能团结构单体可以缩聚成全刚性分子链、半刚性分子链和柔性分子链，其中全刚性分子链是线性棒状结构，具有较高的杨氏模量和面内取向，同时具有较高的堆积系数以及分子链可以活动的自由体积很小。低热膨胀系数与其聚合物分子骨架的线性度有关，当骨架排列成线性时，出现低的热膨胀系数，因为具有线性构象的聚合物在分子轴方向上几乎处于同一平面且呈棒状结构，具有刚性，并且容易结晶，导致在分子链方向上的膨胀很小，所以随着温度的升高，垂直于分子链方向的热膨胀会被抑制。

2、多元共聚/共混

通过利用不同单体结构特性，设计出性能平衡的分子链，可以精准的控制CTE,同时使用柔性的单体来消除刚性分子链所产生的热应力，并提高材料的柔韧性。

3、掺杂无极填料

将低热膨胀系数的纳米填料包括二氧化矽、碳化矽、氮化硼、ZrW2O8、石墨烯、氮化铝、碳纳米管、笼形倍半矽氧烷、钛酸钡和玻璃纤维等掺杂到高热膨胀系数的聚合物中可有效的提高尺寸稳定性和杨氏模量。

4、调控聚集态结构

加入不同的溶剂和选用不同的固化条件和固化工艺进行聚集态结构调控。

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